Comment imprimer en 3D des pièces de rechange et de remplacement

Les pièces de rechange et de remplacement sont essentielles pour les installations de fabrication et pour les consommateurs, car elles permettent d'éliminer les temps d'arrêt et les baisses de productivité lorsque des équipements défectueux doivent être réparés ou remis à neuf. Pour pouvoir accéder aux pièces de rechange essentielles et les fournir, les entreprises doivent maintenir un inventaire coûteux et naviguer dans des chaînes d'approvisionnement dynamiques. 

Mais que se passe-t-il si un fournisseur fait faillite ou si les délais de livraison sont trop longs ?

Les fabricants ont de plus en plus recours à l'impression 3D de pièces de rechange pour résoudre les problèmes de chaîne d'approvisionnement et de stocks. Les imprimantes 3D peuvent désormais être utilisées pour créer toutes sortes de pièces : des pièces de rechange bricolées par les clients, des pièces provisoires, voire même des pièces de rechange durables qui peuvent remplacer les pièces fabriquées avec des outils traditionnels. Cela permet aux fabricants de ne plus conserver de grands stocks et de fabriquer des pièces de rechange à la demande.  

Dans ce guide, nous vous expliquons comment imprimer en 3D des pièces de rechange et comment choisir les bonnes technologies, avec des exemples concrets à l'appui.

Les pièces de rechange font partie d'un tout ; pour s'assurer que les pièces de rechange imprimées en 3D fonctionnent correctement, il faut d'abord prendre en compte les exigences techniques de la pièce, telles que la géométrie, l'utilisation prévue et les facteurs de stress mécaniques. Examinons quelques-uns de ces critères :

• Géométrie : les imprimantes 3D offrent une liberté de conception presque illimitée, de sorte que tout objet fabriqué à l'aide d'outils traditionnels peut presque toujours être imprimé en 3D. Certains ajustements de la conception peuvent être conseillés pour optimiser les coûts, la vitesse ou la résistance.

• Taille : la pièce doit entrer dans le volume d'impression d'une imprimante 3D, qui est généralement d'environ 15 à 30 cm dans toutes les dimensions pour les machines de bureau et d'atelier. Il est également possible de créer un composant de remplacement en assemblant plusieurs pièces plus petites.

• Matériau : les pièces 3D peuvent remplacer la plupart des pièces en plastique et même certaines pièces en métal. Trouvez un matériau dont les propriétés se rapprochent le plus de celles du matériau utilisé pour les pièces d'origine.

• Contraintes : tenez compte des contraintes et des impacts que la pièce de rechange devra supporter. Choisissez des technologies d'impression 3D et des matériaux techniques plus avancés pour des pièces durables.

Même si les pièces de rechange imprimées en 3D ne répondent pas à tous les critères, elles peuvent souvent servir de substituts pour éliminer les temps d'arrêt des machines. Dans ce scénario, un composant de rechange imprimé en 3D, qui garantit une fonctionnalité correcte mais est limité par sa durabilité à long terme, est utilisé jusqu'à ce qu'une pièce de remplacement durable soit disponible. 

Une fois que vous avez confirmé que la pièce peut être imprimée en 3D, vous devez acquérir des modèles 3D de la pièce détachée. Si la pièce de rechange est destinée à votre propre produit et qu'elle a été conçue à l'aide d'un logiciel CAO, le fichier numérique devrait être facilement accessible. Pour les outils de tiers, certains fabricants proposent des modèles CAO originaux des pièces de rechange. 

Si aucun design n'est disponible, créez-le vous-même dans un logiciel de CAO ou confiez-le à un service de conception. Pour les pièces simples, cela peut se faire sur la base de mesures manuelles, mais pour les conceptions plus complexes, effectuer une rétroconception avec un scan 3D permet de concevoir et de reproduire des pièces.

Préparez le modèle CAO pour l'impression 3D à l'aide d'un logiciel de préparation d'impression et envoyez-le à votre imprimante 3D. Le choix de la bonne technologie et du bon matériau est crucial ; consultez la section suivante pour des recommandations spécifiques.

Les pièces imprimées en 3D nécessitent généralement un post-traitement, qui inclut le lavage, le dépoudrage, le retrait des structures de support, la post-polymérisation ou le ponçage. Les pièces peuvent ensuite être utilisées directement ou faire l'objet d'un post-traitement pour des applications spécifiques (lissage, peinture, revêtement, etc.).

Une fois que la pièce de rechange est prête, effectuez des tests pour vous assurer qu'elle fonctionne comme prévu. Si les tests révèlent des défauts, l'impression 3D permet d'itérer facilement la conception afin d'améliorer les performances des pièces de rechange.

L'ampleur de ces tests dépend du cas d'utilisation. Les fabricants qui ont l'intention d'utiliser des pièces de rechange imprimées en 3D pour remplacer des pièces traditionnelles doivent soumettre les nouvelles pièces aux mêmes cycles d'essai que les précédentes, tout en tenant compte des caractéristiques spécifiques du processus d'impression 3D, comme par exemple la différence de résistance en fonction de l'orientation.

L'impression 3D est omniprésente en prototypage et en développement de produits depuis des décennies. À présent, cette technologie avancée devient très courante en production industrielle. Dans le processus de développement de produits, les fabricants tirent déjà parti de la flexibilité de l'impression 3D pour produire des outils en interne, tels que des gabarits, des fixations et d'autres aides à la fabrication, ou même des outils rapides tels que des moules pour le moulage par injection ou le thermoformage.

Les progrès récents en matière de machines, de matériaux et de logiciels ouvrent la voie à la production de pièces 3D fonctionnelles de haute précision qui peuvent remplacer des pièces d'utilisation finale, y compris des pièces de rechange et des pièces de remplacement de longue durée.

Alors que la plupart des processus de fabrication traditionnels nécessitent des machines industrielles coûteuses, des installations dédiées et des opérateurs qualifiés, l'impression 3D permet une production en interne avec de faibles frais généraux et une infrastructure minimale. Les systèmes compacts d'impression 3D d'atelier ou de bureau pour la fabrication de pièces en plastique ne coûtent pas cher et ne nécessitent que peu d'espace et aucune compétence particulière.

La sous-traitance peut être une option pour les pièces de rechange dont la fabrication n'est pas urgente, mais elle s'accompagne souvent des mêmes difficultés que le stockage de pièces de rechange. Les délais de livraison peuvent être de plusieurs semaines, voire moins de 24 heures pour la plupart des pièces imprimées en 3D, ce qui augmente le risque d'immobilisation prolongée des machines et de perte de productivité. 

Pour les fabricants, pouvoir gérer numériquement les stocks de pièces de rechange et la production de pièces de rechange permet de surmonter certains des défis traditionnels tels que les problèmes de chaîne d'approvisionnement, les quantités minimales de commande et les déchets dus aux pièces obsolètes.

La mise en place d'un entrepôt numérique est un moyen rentable de réduire les coûts de gestion des stocks. Combiner ce système à un outil de fabrication numérique tel qu'une imprimante 3D permet aux fabricants de fabriquer rapidement à la demande, de réduire les coûts, d'améliorer la résilience et de diminuer les temps d'arrêt.

L'entrepôt numérique ou l'inventaire des pièces de rechange est utilisé pour stocker les conceptions des pièces, classer systématiquement les composants, optimiser les nomenclatures et gérer les stocks. Les imprimantes 3D et autres outils de fabrication numérique peuvent ensuite être utilisés pour produire les pièces de rechange afin de constituer un stock physique ou de remplacer des pièces en cas de besoin.

Les pièces de rechange sont l'une des applications les plus courantes de l'impression 3D. Examinons quelques exemples concrets de clients de Formlabs, de l'impression 3D de pièces de rechange pour des applications automobiles à des pinces de robot personnalisées.

Ringbrothers, un atelier de voitures personnalisées primé, a d'abord utilisé l'impression 3D SLA en interne comme outil de prototypage afin d'élaborer des modèles plus rapidement et de manière plus rentable. L'adoption de l'impression 3D a permis de stimuler la créativité de l'équipe et d'augmenter la qualité des pièces finales, qui incluent des pièces détachées pour voitures.

L'équipe a utilisé des pièces imprimées en 3D dans l'assemblage final d'un rétroviseur. Placée à l'intérieur d'une coque carbone, l'une d'elles sert de fixation permanente, et d'autres pièces y sont vissées. Pour un autre projet, l'équipe a utilisé un matériau d'impression 3D moulable pour fabriquer un emblème destiné à une voiture personnalisée.

« Ce niveau de détail n'aurait pas été atteint si nous n'avions pas pu imprimer en 3D la cire et demandé [à notre joaillier]de faire la coulée en interne », a déclaré le spécialiste du développement de produits Matt Moseman.

Ashley Furniture, le plus grand fabricant de meubles au monde, a intégré de nouvelles technologies dans ses usines, de l’impression 3D à la robotique. Ashley Furniture utilise plus de 700 pièces imprimées en 3D sur son site d'Arcadia dans le Wisconsin, au milieu des robots industriels et des fraiseuses à commande numérique, de l’assemblage à la fabrication.

Outre les aides à la fabrication, certaines de leurs applications les plus pratiques sont les pièces de rechange pour les ateliers de fabrication. Il fallait une bague de retenue à vide pour une perceuse point à point, mais il n’était pas possible de l’acheter seule. La seule option était d’acheter l’assemblage entier, qui est très coûteux.

« L’entreprise ne voulait pas vendre la bague seule ; nous aurions dû acheter la cellule entière pour 700 $ », a déclaré l'ingénieur de production Brian Konkel. « Au lieu de cela, nous avons pu réaliser un scan 3D de la pièce pour capturer la géométrie et imprimer une pièce de rechange pour moins de 1 $, ce qui nous a permis de continuer à exploiter notre perceuse et nous a évité d’acheter l’ensemble complet. »

Productive Plastics est une entreprise de fabrication en sous-traitance de premier plan, spécialisée dans la production de composants de thermoformage en plastique sur mesure et dans les services de conception. Elle dispose de six cellules de fabrication, de sorte que plusieurs projets peuvent être menés de front. Chaque cellule est équipée d'une thermoformeuse industrielle, d'une fraiseuse CNC, d'une zone d'assemblage et d'un système informatique permettant d'organiser et de contrôler les opérations. 

Lorsque le ventilateur de refroidissement d'une machine s'est brisé, la thermoformeuse était tout simplement inutilisable, ce qui a entraîné l'arrêt de toute une cellule de travail. L'équipe prévoyait un délai de six à huit semaines pour recevoir une pièce de rechange de son fournisseur. Pour continuer à produire en attendant la réparation, ils ont imprimé en 3D une pièce de rechange provisoire pour la roue.

Ils ont conçu deux itérations de roue de remplacement dans Solidworks, puis les ont imprimées sur une imprimante 3D SLS Fuse 1 pendant la nuit, en utilisant Nylon 12 Powder. Le lit de poudre autoportant de l’impression 3D SLS a permis de réaliser une pièce à double face avec un alésage central sans supports à retirer ou à post-traiter. La roue était prête à être immédiatement installée sur la machine existante.

« Avec d'autres méthodes d'impression, il aurait été difficile de réaliser la face arrière du mélangeur, en particulier les nervures et l'alésage central qui ne peuvent généralement être obtenues qu'avec le moulage par injection. [... ] L'une des raisons pour lesquelles nous avons choisi la Fuse 1 est que nous n'avons pas besoin d'utiliser de supports. Cette pièce met vraiment en évidence la capacité de la Fuse 1 à imprimer des géométries complexes », a déclaré Kyle Davidson, directeur des ventes et du marketing chez Productive Plastics.

La roue à aubes a fonctionné immédiatement, permettant à la cellule de reprendre le travail dès le lendemain de la panne, et elle a fonctionné comme prévu jusqu'à ce que l'équipe la remplace par la pièce du fournisseur environ 6 semaines plus tard. 

Chez Productive Plastics, le temps de cycle d'une cellule de fabrication varie entre 5 et 15 minutes, ce qui permet un volume de production minimum de 40 pièces par jour pour une cellule de travail. 6 semaines d'arrêt entraîneraient une perte de plus de 1200 pièces et de 30 000 $, si l'on considère que le coût par pièce moyen est de 25 $.

Les chercheurs du centre des composites de l'AMRC se sont demandé comment automatiser le déplacement automatique de feuilles de fibres de carbone, avec une grande exactitude et à haute vitesse, à l’aide d’un robot de transfert. Toutefois, au bout d’une longue période d’utilisation, les attaches en L qui maintenaient les organes de préhension pneumatiques du robot ont commencé à se déformer au niveau des articulations, ce qui a entraîné des défaillances. Grâce à l'impression 3D, les chercheurs ont pu rapidement mettre au point une nouvelle solution, un composant élastique personnalisé de conception complexe qu'il aurait été impossible de fabriquer avec des outils traditionnels.

« J’ai créé cinq modèles du jeu de six organes de préhension, ce qui aurait pu durer 10 à 15 semaines si je les avais usinés, et je ne compte pas le temps des essais, » a affirmé Matthew Williams, le technicien composite travaillant sur le projet.

Le fournisseur de services d'ingénierie STS Technical Group a également tiré parti de l'impression 3D SLA pour remplacer les pinces génériques des robots par des pinces plus performantes imprimées en 3D. L'équipe a développé des préhenseurs personnalisés pour saisir et positionner des injecteurs de carburant. 

En remplaçant les pinces usinées en acier par des pinces en polymère imprimées en 3D, ils ont réduit le risque de marquer la surface des pièces plus souples. En outre, le passage d'une forme générique en V à une géométrie adaptée à l'injecteur de carburant a permis d'améliorer le contact avec la poignée, pour une meilleure précision et une plus grande fiabilité, et de réduire la pression nécessaire au cours du processus. 

L'atelier d'usinage A&M Tool and Design a étendu son utilisation de l'impression 3D à la production de pièces fonctionnelles telles que des fixations et plusieurs pièces d'utilisation finale. Lorsqu'il s'est rendu compte qu'un anneau de couplage pour une polisseuse de lentilles livré deux jours avant une présentation importante n'était pas de la bonne dimension, l'ingénieur mécanique Ryan Little a imprimé une pièce en Durable Resin pour le remplacer rapidement. L'anneau imprimé a été utilisé pour entrainer un moteur de deux chevaux sur une ponceuse.

En général, oui, mais cela dépend du cas précis. 

La rétro-ingénierie est généralement légale et les fabricants peuvent choisir d'imprimer en 3D des pièces de rechange en utilisant leurs propres conceptions sans enfreindre la loi sur les secrets commerciaux.

Si un fabricant a l'intention d'imprimer en 3D des pièces de rechange à des fins commerciales, il peut être tenu responsable en vertu du droit applicable et peut avoir l'obligation de fournir des conceptions ou des biens qui satisfont à certaines exigences de sécurité et de qualité en vertu de leurs contrats.

Une étude approfondie du gouvernement britannique sur les obligations légales et les responsabilités associées à l'impression 3D de pièces de rechange donne un excellent aperçu de la légalité du processus. L'étude a pris en compte la fabrication de pièces de rechange et de remplacement ainsi que les exigences légales à chaque étape du cycle de production aux États-Unis, au Royaume-Uni, dans l'Union européenne, au Canada, au Japon et en Chine. 

L'impression 3D de pièces de rechange et de remplacement en interne est un moyen abordable, rapide et efficace d'éliminer les temps d'arrêt et les pertes de productivité.

Formlabs propose des imprimantes 3D SLA et SLS de pointe et des matériaux de qualité industrielle pour lfabriquer des pièces de rechange et de remplacement. Explorez nos imprimantes 3D ou prenez contact avec un spécialiste pour discuter de la manière dont vous pouvez mettre en place un flux de travail idéal.